大面积、高效率、超稳定钙钛矿电池发布

钙钛矿是下一代太阳能技术中最有前途的材料之一，其效率在10多年内从3.8%飙升至25.5%。钙钛矿型光伏电池生产成本低廉，刚柔并举而用途广泛，但效率之外仍有两大障碍阻碍了商业化的道路：稳定性和大面积。

1月25日，《Advanced Energy Materials》发布了一篇钙钛矿光伏的最新研究成果，冲绳科学技术研究所(OIST)的戚亚冰研究团队利用一种减少缺陷的新制造技术，制造出稳定性和效率都有所提高的大面积钙钛矿光伏组件。

1. 钙钛矿电池的致命缺陷

“钙钛矿材料易碎，容易分解，这意味着太阳能电池难以在很长一段时间内保持高效率，” OIST能源材料和表面科学组童国庆博士说，“尽管小型钙钛矿太阳能电池的效率很高，性能几乎与硅电池相当，但一旦扩大到更大的太阳能组件，效率就会下降。”

在功能太阳能器件中，钙钛矿层位于中心，夹在两个传输层和两个电极之间。当活性钙钛矿层吸收阳光时，它产生电荷载流子，然后通过传输层流到电极并产生电流。

然而，钙钛矿层中的针孔和单个钙钛矿晶粒之间边界处的缺陷会破坏从钙钛矿层到传输层的载流子流，降低效率。湿气和氧气也会开始降解这些缺陷处的钙钛矿层，缩短器件的寿命。

“大尺寸是一个挑战，因为随着电池尺寸的增加，很难产生一个均匀的钙钛矿层，这些缺陷变得更加明显，”童博士所在的戚亚冰研究团队一直在想找到一种制造大型电池和组件的方法来解决这些问题。

目前，生产的大多数太阳能电池都有一层薄薄的钙钛矿层，厚度只有500纳米。理论上，由于电荷载流子到达上下传输层的距离较短，钙钛矿层较薄可提高效率。但是当制造更大的模块时，研究人员发现薄膜通常会产生更多的缺陷和针孔。

2. 效率和尺寸的突破

OIST能源材料和表面科学组的研究人员选择制作5×5 cm2和10×10 cm2的太阳能电池组件，其中含有两倍厚度的钙钛矿薄膜。

然而，制备更厚的钙钛矿薄膜也有自己的挑战。钙钛矿材料通常由许多化合物在溶液中反应形成，然后结晶成为产品。

通常研究人员努力溶解足够高浓度的碘化铅，碘化铅是形成钙钛矿结构的前体材料之一，这是制备较厚薄膜所必需的。但结晶步骤很快且不可控，因此厚膜中含有许多小晶粒，晶界较多。

因此，OIST的研究人员添加氯化铵以增加碘化铅的溶解度。这也使得碘化铅能更均匀地溶解在有机溶剂中，从而形成更均匀的钙钛矿薄膜，具有更大的晶粒和更少的缺陷。之后再从钙钛矿溶液中去除氨，降低钙钛矿薄膜中杂质的含量。

总的来说，尺寸为5×5 cm2的钙钛矿太阳能电池效率达到14.55%，高于不含氯化铵的13.06%电池效率，并且能够以超过80%的效率工作1600小时。

较大的10 x 10 cm2电池效率为10.25%，并在1100多小时或近46天内保持在较高的效率水平。

3. 冰冻三尺非一日之寒

OIST能源材料和表面科学组此次能够取得钙钛矿电池尺寸、效率、稳定性三方面的突破，并非偶然。

早在2019年，戚亚冰研究团队就联合美国托莱多大学鄢炎发团队首次成功地确定了混合的CH3NH3PbBr3-yIy和CH3NH3PbBr3-zClz钙钛矿晶格中I和Cl的准确位置，并将其与薄膜增强的稳定性相关联。研究结果为目前关于卤化物掺入的争论提供了答案，并证明了其对器件稳定性的直接影响。

戚亚冰团队认为，决定钙钛矿光伏技术商业化的主要因素已经从太阳能电池性能转向稳定性、再现性，器件升级以及在器件使用寿命期间防止电池组件中的铅(Pb)泄漏。研究人员模拟了一个现实场景，采用不同封装工艺的钙钛矿组件经受冰雹撞击(改进的FM44787标准)，并定量测量各种天气条件下的铅泄漏率。

正是效率、稳定性的研究基础，才催生了此次在尺寸、效率和稳定性的突破，这也是首次报道该尺寸钙钛矿型太阳能组件的寿命测量。从实验室大小的钙钛矿电池到5×5平方厘米的太阳能组件是很困难的，跳到10×10平方厘米就更难了。而童国庆博士下一个目标则是制作15×15平方厘米的高效稳定太阳能组件。”

挑战总是令人兴奋，在下一阶段的研究中，研究人员计划进一步优化他们的技术，使用蒸汽基方法替代溶液法制造钙钛矿型太阳能组件。